温室中农村废水再生滴灌过程中污染物的时空变化规律

裴 亮， 麦荣幸， 孙莉英， 栗清亚

(1.中国科学院 地理科学与资源研究所 陆地水循环及地表过程重点实验室， 北京100101；2.中国科学院大学， 北京 100049)

1 研究背景

农村废水再生滴灌模式是采用滴灌方式将经过处理的污水用于灌溉的现代灌溉模式，是当前节水和环保研究的热点[1-2]，很多的国内外学者在这方面已经做了大量的相关研究[3-9]，关于再生水灌溉条件下污染物在土壤-渗漏系统中的迁移转化取得了很多的研究成果[4-7、9]。农村再生水滴灌的灌溉频率、灌溉时间、灌溉水量与地面灌溉等传统灌溉方式不同，土壤水分和溶质在土壤-渗漏系统中的分布与迁移也不相同。另外，再生水中含有大量的有害污染物，会随着再生水进入到土壤、作物体内和地下水中，对作物生长、周围环境及人体健康产生很大的影响[10]。因此，有必要对污染物随再生水在土壤中的分布运移规律进行深入研究[11]。当前的农村再生水灌溉研究大多为地面灌溉条件下污染物在土壤表层的分布和迁移，对滴灌模式的研究很少，研究内容多为重金属在作物根系层的分布以及对作物根系的影响，也很少涉及污染物在深层土壤和深层渗漏水中的分布和对地下水的影响[12-13]。因此，需要对滴灌条件下污染物在土壤-渗漏系统中的分布运移特征进行详细研究。笔者等在农村废水再生滴灌方面进行了很多研究，主要集中在养分对作物产量和品质的影响、养分运移、养分胁迫等方面，对废水中各类污染物在土壤-渗漏系统中的分布运移情况还没有开展过相关研究[14-17]。本研究是在前期研究的基础上，采用土壤过滤系统处理后的农村废水进行滴灌，分析灌溉后土壤-渗漏系统中化学需氧量CODCr、生化需氧量BOD5、全氮TN、氨氮NH3—N和全磷TP的时空变化规律，为制定高效绿色的再生水灌溉制度、防治农业面源污染以及预防人体健康风险提供科学依据。

2 试验部分

2.1 试验地概况

研究区位于湖北省十堰市茅箭区南部山区，全年太阳辐射量为106.6 kcal/cm2，年平均日照时数1 655～1 958 h；年平均降雨量为800 mm以上，主要集中在6-8月。研究区的最低气温为-13.2 ℃，最高气温为41 ℃，常年平均气温为15.3 ℃。本研究试验在大棚中开展，采用自然温度。试验地土壤类型主要为沙壤土，土壤容重为1.52～1.73 g/cm3，地下潜水水位埋深为1.5～2 m。

2.2 试验布置

文献[14-17]中有类似实验设计，试验在2015-2016年进行。试验区作物耕作方式为垄作方式，垄肩宽80 cm，两垄中心间距180 cm，垄高15 cm。每垄种植两行作物，在两行作物中间埋设一条滴头间距20 cm、滴头流量2.7 L/h的滴灌带。在作物种植前，试验区每亩施复合肥10 kg。该试验采用农村废水再生处理后的再生水为原水，原水水质和分析方法见表1。根据不同作物滴灌灌溉制度制定灌溉计划[18-19]，在试验区滴头正下方20 cm深度处埋设一组负压计，当负压计指示的土壤基质势低于-25 kPa时进行灌溉，每次灌水量为5 mm。灌水后第3、6、9、12、15d用土钻对土壤进行采样，分别在3个滴灌点下土壤垂直方向0、50、100、150 cm处取样，在试验场边缘选择3个点水平方向0、50、100、150 cm取10 cm深度处土壤样。同时，采用深层渗漏采集装置在每个滴灌点1.5 m深度处进行渗漏水的采集。为了便于比较，土壤浓度采用同样体积淋洗液浓度表示。

表1 原水水质及分析方法

3 结果与分析

3.1 不同季节污染物在土壤中的截留情况

土壤1.5 m深度处深层渗漏水中污染物的浓度随季节发生变化，具体浓度数值见表2。由表2可知，1.5 m深度处深层渗漏水中CODCr、BOD5、TN、NH3—N和TP的浓度随季节的变化趋势较为一致，不同季节土壤深层渗漏水中污染物浓度由高到低依次为：夏季>秋季>春季>冬季。采用农村废水进行滴灌，CODCr在夏季和秋季的平均土壤截留率均为88%左右，截留率最高；冬季为77%左右，截留率最低；CODCr的土壤截留效果在季节间变化较小。BOD5在夏季的平均土壤截留率在88%以上，冬季为85%左右，季节间土壤截留效果差异较小。TN在夏季的平均土壤截留率为75%左右，但冬季的截留率低于70%，季节间土壤截留效果差异较大，整体的土壤截留率低于CODCr和BOD5。NH3—N、TP在土壤-渗漏系统中的截留率在季节间也有一定变化差异，NH3—N、TP在夏季的平均土壤截留率分别为63%和78%左右，截留率最高；NH3—N、TP在春季和秋季的土壤截留率分别在50%和60%以上；冬季的土壤截留率最低，NH3—N在冬季的土壤截留率为45%左右。

表2不同季节深层渗漏水中各污染物的平均浓度 mg/L

季节CODCrBOD5TNNH3—NTP2015年夏季4.765.334.123.210.512015年秋季3.475.023.812.330.432015年冬季2.514.412.101.710.292016年春季3.984.993.122.570.42

3.2 污染物在土壤垂直方向的沿程变化规律

3.2.1 CODCr和BOD5在土壤垂直方向的沿程变化规律 试验期间，各污染物在土壤垂向上的浓度分布在不同月份间的变化趋势基本一致，本文以7月份的实测数据结果为例进行分析。表3和表4分别为CODCr和BOD5在土壤垂向上各深度处的浓度分布。从表3中可以看出，再生水中CODCr浓度有一定的波动，但波动幅度较小；已知在夏季CODCr的平均土壤截留率为88%左右，土壤1.5m深度处渗漏水中CODCr浓度稳定在4.9 mg/L以下，满足污水综合一级排放标准(GB 20426-2006)。CODCr在土壤-渗漏系统前端(0～50 cm)的截留效果较明显，大约55%的CODCr被有效截留在土壤-渗漏系统的前1/3段。这是因为在滴灌条件下，水分在土壤中的分布主要集中在土壤表层和根系层中，再加上土壤和作物根系对CODCr的吸附性能较强，使得多数的CODCr被截留至上表层土壤中。同样，由表4可知，再生水中BOD5浓度有一定的波动，波动幅度较小；由于在夏季BOD5的平均土壤截留率在88%以上，土壤1.5 m深度处渗漏水中BOD5浓度稳定在5.8 mg/L以下，满足污水综合一级排放标准。BOD5在土壤-渗漏系统0～100 cm深度内的截留效果较明显，大约45%的BOD5被截留在土壤-渗漏系统的前1/3段，75%左右的BOD5被截留在土壤-渗漏系统的前2/3段。

3.2.2 TN在土壤垂直方向的沿程变化规律 土壤中TN与CODCr及BOD5的垂直沿程变化规律相似，具体浓度数值见表5。再生水中TN在土壤-渗漏系统的前1/3段截留效果比较显著，截留率高达50%。在灌溉水入渗前期，水分入渗速度快，随着入渗深度的增加，入渗速度迅速减小，TN在土壤中的运移速度也随深度增加迅速减小。TN在土壤中的分布随着深度增加呈现递减的情况，递减速率随着深度增加逐渐减小。土壤1.5 m深度处渗漏水中的TN浓度稳定在4.6 mg/L以下，水质达到污水综合排放标准。

表3土壤垂直方向不同取样点CODCr的浓度 mg/L

土壤深度/cm取样日期/(月-日)07-0607-0907-1207-1507-18026.525.926.125.423.95012.311.313.112.010.81005.25.46.15.76.11504.94.824.64.63.8

表4土壤垂直方向不同取样点BOD5的浓度mg/L

土壤深度/cm取样日期/(月-日)07-0607-0907-1207-1507-18027.828.124.325.827.25016.318.414.313.712.910010.59.911.410.17.31505.85.75.74.34.8

表5土壤垂直方向不同取样点全氮(TN)的浓度 mg/L

土壤深度/cm取样日期/(月-日)07-0607-0907-1207-1507-18018.217.316.616.716.2508.68.99.110.38.91006.36.45.86.46.21504.34.64.24.44.1

3.2.3 NH3—N和TP在土壤垂直方向的沿程变化规律 土壤中NH3—N和全磷(TP)浓度沿垂直方向的变化情况见表6和7。土壤1.5 m深度处渗漏水中NH3—N浓度低于3.5 mg/L，满足污水综合一级排放标准。NH3—N在土壤中的含量沿垂直方向从上到下依次递减，大约35%的NH3—N被截留在土壤-渗漏系统的前1/3段；在50～150 cm土壤深度范围内，NH3—N的浓度降低幅度较小。再生水中TP浓度的波动幅度较大，但在夏季土壤截留效果较为显著，土壤中TP浓度沿垂直方向从上到下逐渐降低，在土壤-渗漏系统中TP浓度降低的幅度较为均匀，各土层稳定在25%左右。这可能是因为土壤对TP的吸附能力有限，各深度土层对TP的吸附速率相近，当TP浓度较大时，上层土壤和下层土壤对TP的吸附量相差不大。土壤1.5 m深度处渗漏水中TP浓度低于0.6 mg/L，满足污水综合二级排放标准。

表6土壤垂直方向不同取样点NH3—N的浓度 mg/L

土壤深度/cm取样日期/(月-日)07-0607-0907-1207-1507-18016.211.99.38.89.3508.98.57.27.36.71004.85.14.74.73.81503.33.53.12.42.2

表7土壤垂直方向不同取样点全磷(TP)的浓度 mg/L

土壤深度/cm取样日期/(月-日)07-0607-0907-1207-1507-1801.83.22.32.73.0501.11.41.71.61.91000.80.90.60.81.01500.60.40.50.30.3

从以上对各污染物在土壤垂直方向上的变化分析可知，虽然再生水中各类污染物浓度不相同，但其垂直变化规律相似，各污染物的含量沿垂直方向从上到下逐渐减小；除了TP之外，其他污染物在土壤-渗漏系统前端(0～50 cm)的截留效果最好，中端(50～100 cm)的截留效果次之，后端(100～150 cm)的截留效果最差。这可能是因为相对于其他污染物土壤对TP的吸附能力较弱，当TP浓度较高时，各土层对TP的吸附量相近。在各类污染物中，土壤-渗漏系统对CODCr和BOD5的截留率最高，其次是TN和TP，NH3—N的截留率最低。土壤-渗漏系统对污染物截留率的高低主要取决于土壤对污染物的吸附能力，吸附能力越强，截留率越高。

3.3 污染物在灌溉区边缘水平方向的沿程变化规律

滴灌区边缘水平方向不同距离各污染物浓度见表8。从表8看出，滴灌试验区外边缘水平方向0～150 cm、深度10 cm处的土壤中各污染物浓度随水平距离增加而减小。在滴灌条件下，土壤水分在水平方向上水力梯度较小，且水平距离越大，水力梯度越小；土壤水分在水平方向上的扩散距离较短。而污染物主要随着水分在土壤中进行迁移，在0～50 cm水平距离内，污染物迁移速度较快，污染物浓度较高；在50～100 cm内，污染物迁移速度慢，污染物浓度较低；在150 cm处，运移至此的灌溉水分极少，大部分的污染物已被截留在0～100 cm内，污染物浓度极低。

表8滴灌区边缘水平方向不同距离各污染物浓度 mg/L

水平距离/cmCODCrBOD5TNNH3—NTP026.227.318.912.13.35010.912.89.26.21.61005.25.14.12.10.41502.71.31.40.90.2

注：各水平距离测点均在土壤深度10 cm处。

4 结 论

(1)不同季节土壤1.5 m深度处深层渗漏水中污染物浓度由高到低依次为：夏季>秋季>春季>冬季。

(2)在1.5 m深度处深层渗漏水中，CODCr、BOD5、TN、NH3—N和TP的最高截留率分别达到76.3%～88.1%、84.2%～89.2%、69.3%～76.8%、57.3%～63.1%和69.8%～78.6%；污染物浓度随深度降低；在滴灌区域外边缘，沿着水流的水平方向，各污染物衰减率逐渐增大。

(3)采用农村废水再生滴灌，深层渗漏水中养分物质TN、TP的浓度较低，调节再生废水浓度，可以控制污染物流入深层地下水，从而防止面源污染。